ACDC变换器整流和有源逆变电路
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交流-直流(ACDC)变换器
VD导通阶段结束。这时电容上的电压值为
U
C0
2U
2
sin( )
2U
2
sin
RC放电曲线，如图2-34c）所示。其电压表达式为
1
uC uR U
C0
e
RC
(t
)
在电源电压的第二个周期中，当 u
2
再次上升到等于 u C
时， ，这时有
VD将再次导通，设 u 2 u C
2. 数学表达式
不计换流时
U
do
( )
m
U
m
sin
m
m
Um
2U 2U
2 2
Ud0m
0.9U2 1.17U2 2.34U2
cos U
dom
cos
单相桥式 三相半波 三相桥式
2 3 6
计及Lc换流及内阻影响时
U d ( ) U ( ) ( m sin
6 U2
m
（二）有源逆变条件
直流侧必须有直流电源EB（如：大电感或电势负载），电势极性必须和变换器 允许电流流动方向一致。
变换器为可输出负压的全控整流桥。(半控桥或带有续流二极管的全控整流桥无 法得到负电压就不可能有源逆变。）
调节α>90°，且使1-Ud1略小于EB（EB小于变换器能够产生的直流最大负压值 （三相桥式为2.34U ）
电路图
（交流侧电感Lc的影响）
VT5与VT1换流时的等效电路
换流对整流电路的影响
交流电感上的电压； 对输出电压的影响； 对元件电流变化率的影响； 元件电压的特点。
5. 有源逆变电路
DC-AC逆变电路及原理总结
uo
S 1
io
负载
S 3
Ud
S2
uo S4
io
t1 t2
t
a)
b)
图5-1 逆变电路及其波形举例
逆变电路的基本工作原理
S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压uo为正。 S1、S4断开，S2、S3闭合时，负载电压uo为负。
直流电 交流电
逆变电路的基本工作原理
逆变电路最基本的工作 原理 ——改变两组开关 切换频率，可改变输出 交流电频率。
直流侧需两电容器串联，要控制两者电压均 衡。
参数计算与器件选择
根据不同的负载类型计算负载等效阻抗： 电阻型：Z=R 电阻电感型：Z=R+jωL
Z=(R2+(ωL)2 ) ½ 对于RLC：Z=R+jωL-1/jωC 对于电阻：i＝2P/Ud＝Ud/2R 对于电阻电感：i＝2P/Udcosφ＝Ud/2Z 开关管上的电压：U=(2~3)Ud
电流：I=(1.5~2)(2)1/2i
参数计算与器件选择 例：逆变器输入电压为550V，输出功率为 20KW，逆变器开关频率为20KHz，RLC谐振 负载，
其等效电阻为：R=Ud2/P=15.125Ω 负载上的电流有效值为：i＝Ud/R= 36.36A 开关管上的电压：U=(2~3)Ud=1100~1650V 电流：I=(1.5~2)(2)1/2i=77~102A
(4)控制方式有PWM，双极性和移相控制方式。
参数计算与器件选择
根据不同的负载类型计算负载等效阻抗： 电阻型：Z=R 电阻电感型：Z=R+jωL
Z=(R2+(ωL)2 ) ½ 对于RLC：Z=R+jωL-1/jωC
对于电阻：i＝P/Ud＝Ud/R 对于电阻电感：i＝P/Udcosφ＝Ud/Z 开关管上的电压：U=(2~3)Ud
第5章 AC-DC变换器(整流和有源逆变电路)
VD1截止、 VD2导通
0
id O iVD1 O iVD2 O
d)
t
负载电压ud 负载电流id 整流二极管电流iVD1 续流二极管电流iVD2 整流二极管端电压 uVD1 续流二极管端电压 uVD2
2
t
0 方波电流 u2 0
t
g)
•图5-1带续流二极管的单相半波整
流电路带阻感负载电路及带大电感 负载电流波形波形
•图5-2 单相全波整流电路及工作波形 •a)单相全波整流电路负载电压波形 b)单相全波整流电路 c)交流输入正半周整流 电路工作图 d)交流输入负半周整流电路工作图
5.1.1 单相不控整流电路
•表5-4 单相全波整流电路各区间工作情况
ωt
VD1
0～ π
π～2π
u2
R
AC
VD1 VD1VD VD1导通、 二极管导通 2 情况 截止 +
•图5-3(a) 单相桥式整流电路
2U 2 sin td(t ) 0.9U 2
5.1.1 单相不控整流电路
• 在单相输入的AC-DC整流电路中，单相桥式整流电 路应用极为广泛。 • 半波整流电路交流电源电流是单方向的，电源变 压器存在直流磁化现象，是半波整流电路的应用 不广泛的主要原因之一。 • 而桥式和全波电路电源电流双向流动，使交流电 源得到充分利用，也不存在电源变压器直流磁化 现象。
VD1 单相 交流 VD2
VD3 id VD4 R
•注：加*表示了解，大家自己看，课上不讲。
5.1.3 整流滤波电路
L VD1 单相 交流 VD2 VD4 a) VD3 ud R
• 3．复式滤波电路*
C
ud
O
0
id O iVD1 O iVD2 O
d)
t
负载电压ud 负载电流id 整流二极管电流iVD1 续流二极管电流iVD2 整流二极管端电压 uVD1 续流二极管端电压 uVD2
2
t
0 方波电流 u2 0
t
g)
•图5-1带续流二极管的单相半波整
流电路带阻感负载电路及带大电感 负载电流波形波形
•图5-2 单相全波整流电路及工作波形 •a)单相全波整流电路负载电压波形 b)单相全波整流电路 c)交流输入正半周整流 电路工作图 d)交流输入负半周整流电路工作图
5.1.1 单相不控整流电路
•表5-4 单相全波整流电路各区间工作情况
ωt
VD1
0～ π
π～2π
u2
R
AC
VD1 VD1VD VD1导通、 二极管导通 2 情况 截止 +
•图5-3(a) 单相桥式整流电路
2U 2 sin td(t ) 0.9U 2
5.1.1 单相不控整流电路
• 在单相输入的AC-DC整流电路中，单相桥式整流电 路应用极为广泛。 • 半波整流电路交流电源电流是单方向的，电源变 压器存在直流磁化现象，是半波整流电路的应用 不广泛的主要原因之一。 • 而桥式和全波电路电源电流双向流动，使交流电 源得到充分利用，也不存在电源变压器直流磁化 现象。
VD1 单相 交流 VD2
VD3 id VD4 R
•注：加*表示了解，大家自己看，课上不讲。
5.1.3 整流滤波电路
L VD1 单相 交流 VD2 VD4 a) VD3 ud R
• 3．复式滤波电路*
C
ud
O
DC-AC逆变电路
单相电流型逆变电路
1) 电路原理
由四个桥臂构成，每 个桥臂的IGBT管组成 工作方式为负载换相 负载换相。 负载换相 电容C和L 、R构成并 联谐振电路。 输出电流波形接近矩 形波，含基波和各奇 次谐波，且谐波幅值 远小于基波。
图5－12 单相桥式电流型 （并联谐振式）逆变电路
单相电流型逆变电路
逆变电路最基本的工作 原理 ——改变两组开关 切换频率，可改变输出 交流电频率。 电阻负载时，负载电流 io 电阻负载 和uo的波形相同，相位也 相同。 阻感负载时，io相位滞后 阻感负载 于uo，波形也不同。
a) uo io t1 t2 b)
图5-1 逆变电路及其波形举例
t
换流方式分类
换流——电流从一个支路向另一个支路转移的过程， 换流 也称为换相。 换相。 换相
RC缓冲电路：
其特点是适用于斩波电路，但在使用大容量IGBT时， 必须使缓冲电阻的阻值增大，否则，开通时集电极电流 过大，使IGBT的功能受到一定限制。
5-29
缓冲电路的类型
RCD缓冲电路：
与RC缓冲电路相比，其特点是增加了缓冲二极管，从 而使缓冲电阻增大，避开了开通时IGBT功能受阻的问 题。该缓冲电路中缓冲电阻产生的损耗为：
开通：适当的控制极驱动信号就可使器件开通。 关断： 全控型器件可通过门极关断。 研究换流方式主要是研究如何使器件关断。
电压型逆变电路
1）逆变电路的分类 —— 根据直流侧电源性质的不同
直流侧是电压源 电压源
电压型逆变电路——又称为电压源
型逆变电路 Voltage Source Type Inverter-VSTI
图5-8 带中心抽头变压器的逆变电路
Ud 和负载参数相同，变压器匝比为1：1：1时，uo 和io 波 形及幅值与全桥逆变电路完全相同。 与全桥电路的比较：
DCAC逆变电路及讲义原理总结
t
ON V1 V2 V1 V2
VD1 VD2 VD1 VD2 b)
图5－6 单相半桥电压型逆变
电路及其工作波形
5-9
单相电压型逆变电路
优点：电路简单，使用器件少。
• 缺点：输出电压幅值为Ud/2，负载上的功率 为全桥的1/4，开关管承受的电压为Ud，且
直流侧需两电容器串联，要控制两者电压均 衡。
直流侧是电压源
电压型逆变电路——又称为电压源
型逆变电路 Voltage Source Type Inverter-VSTI
直流侧是电流源
电流型逆变电路——又称为电流源
型逆变电路 Current Source Type Inverter-CSTI
5-8
单相电压型逆变电路
1）单相半桥逆变电路
工作原理
V1和V2栅极信号在一周期内 各半周正偏、半周反偏，两
(4)控制方式有PWM，双极性和移相控制方式。
参数计算与器件选择
根据不同的负载类型计算负载等效阻抗： 电阻型：Z=R 电阻电感型：Z=R+jωL
Z=(R2+(ωL)2 ) ½ 对于RLC：Z=R+jωL-1/jωC
对于电阻：i＝P/Ud＝Ud/R 对于电阻电感：i＝P/Udcosφ＝Ud/Z 开关管上的电压：U=(2~3)Ud
5-10
参数计算与器件选择
根据不同的负载类型计算负载等效阻抗： 电阻型：Z=R 电阻电感型：Z=R+jωL
Z=(R2+(ωL)2 ) ½ 对于RLC：Z=R+jωL-1/jωC 对于电阻：i＝2P/Ud＝Ud/2R 对于电阻电感：i＝2P/Udcosφ＝Ud/2Z 开关管上的电压：U=(2~3)Ud
第2讲 AC-DC变换及其应用
电动机在四象限中的机械特性
b 增大方向
'4 '3 '2
增大方向
1 n (U d 0 cos b I d R ) Ce
b '1 b '2 b '3 b '4
1 2 3
直流可逆电力拖动系统
五、整流电路的谐波和功率因数
电力电子技术应用日益广泛，由此带来的谐波 (harmonics)和无功(reactive power)问题日益严重
i a2
b) 0 ' i ab2
2 I 3 d
Id
将整流变压器的二次绕组移相15，可构成
c) 0 iA
wt
2 3 I 3 d
wt
(1+
2 3 3 ) Id
串联4重联结电路--24脉波整流电路
d) 0
3 I 3 d
(1+
3 3
)I d
wt
三角形
移相30串联2重联结电路
移相30串联2重联结电路电 流波形
可沿用整流的办法来处理逆变时有关波形与参数 计算等各项问题。
把 > p /2时的控制角用p = b表示，b 称为逆变角。 逆变角b和控制角的计量方向相反，其大小自b =0的 起始点向左方计量。
3、逆变失败与最小逆变角的限制
逆变时，一旦换相失败，使得Ud >0,形成极大短路 电流—逆变失败（逆变颠覆） 1）逆变失败的原因 触发电路工作不可靠，如脉冲丢失、脉冲延时等。 晶闸管发生故障，该断时不断，或该通时不通。 交流电源缺相或突然消失。 换相的裕量角不足，引起换相失败。
逆变失败与最小逆变角的限制 2) 确定最小逆变角bmin的依据 逆变时允许采用的最小逆变角b 应等于bmin=d +g+q′
AC-DC转换器的工作原理
AC/DC转换器的工作原理AC-AlternaTIngcurrent是交流的意思，DC-Directcurrent是直流的意思，AC/DC 变换是将交流变换为直流，AC/DC转换器就是将交流电变为直流电的设备，其功率流向可以是双向的，功率流由电源流向负载的称为“整流”，功率流由负载返回电源的称为“有源逆变”。
一：AC/DC转换器的工作原理-工作原理交流电转换为直流电称为整流，而直流电转换为交流电称为逆变。
逆变要比整流复杂得多。
常用的有两种方法，一种是先通过SPWM方式，调制出正弦波波形（如果方波也可以的话，这步可以省略），然后通过一个H桥切换输出电压极性，这要求H 桥的切换与SPWM电路同步，技术上较复杂但这种方式的效率好像很高，所以不少逆变器都是这种方式。
将直流电源转变为交流电使用的设备就是叫“逆变器”原理基本是将直流电送到用于逆变输出的三极管，利用接在该管子回路上的变压器等元器件对管子形成正反馈而使管子产生“震荡”电流（起振）而变为交流输出，如果需要比较“严格”的电流输出波形，则还要接入有关电子元器件，组成对输出波形进行整形的电路。
一般通过二极管整流电路或电子开关电路，都可将交流电转换为直流电。
AC/DC转换器的工作过程图整流电路，是将工频交流电转换为脉动直流电；滤波电路，将脉动直流中的交流成分滤除，减少交流成分，增加直流成分；稳压电路，采用负反馈技术，对整流后的直流电压进一步进行稳定。
1整流--即把交流调整成直流，换句话就是使交流的正玄波调整到的X轴上方。
但是现在还只是脉冲的。
主要元件是二极管。
整流方式：全波整流（桥式整流，有专门的元件或用4个二极管）、半波整流（x以下的波损失掉，电流不是连续的。
用一个二极管做）。
2滤波--把波形调整成平稳的直流（可用电容）另：根据需要的电压，可以在整流之前做变压。
一般来讲整流电路有如下几种方法：半波整流电路：半波整流就是利用二极管的单向导电性能，使经变压器出来的电压Vo只有半个周期可以到达负载，如下：单相桥式整流电路是最基本的将交流转换为直流的电路，在分析整流电路工作原理时，整流电路中的二极管具有单向导电性。
第6讲 DC-AC
第五讲 逆变电路
22
三相桥整流电路的有源逆变状态
三相桥式电路工作于有源逆变状态，不同逆变角 时的输出电压波形及晶闸管两端电压波形
u2 ua ub uc ua ub uc ua ub uc ua ub
O
wt =
3
=
4 u cb u ab u ac u bc u ba u ca
=
6 u cb u ab u ac u bc u ba u ca u cb u ab u ac u bc
u
d
a
u 10
u 20
u 10
U d> E M
ud
u
10
u 20
u 10
O
wt
O
wt
U d< E M
id
i =i
d
VT
+i
1
VT
2
i VT O
1
i VT
2
i VT
I
id
d
a
iVT
2
i =i
d
VT
+i
1 1
VT
2
1
i VT
i VT
I
d
wt
2
O
b)
wt
a)
单相全波电路的整流和逆变 a)整流 b）逆变
第五讲 逆变电路
整流电压 整流电流 变压器容量 短路电压比Uk% 220V 800A 240kV。A 5%
g
15~20
参照整流时g 的计算方法
cosa cos(a g ) Id X B 2U 2 sin
Id X B 2U 2 sin
m
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5.2.3 逆变失败与最小逆变角
a b c iVT
1 2 3
LB VT1 LB VT
2
L id ud M EM +
iVT
LB VT 3
iVT
o
u2
ua
ub
uc
0
ωt
5.2.3 逆变失败与最小逆变角
a b c iVT
1 2 3
LB VT1 LB VT
2
L id ud M EM +
逆变角再次减小
iVT
2
L
1
id
R + M EM -
如果仅仅整流器电压反向是否 可行?
5.4.1 相控有源逆变原理及实现条件
逆变产生的条件
归纳逆变条件：
1 0
怎样才能得到-Ud
VT1 L u10 u20 VT2 iVT
1
1 0
VT1 iVT VT2
L
1
晶闸管阳极 + 电能 M E 2 1）要有直流电动势，其极性与晶闸管 i 大部分位于 u u u u 导通方向一致，其值应大于变流电路 电源负半周， U >E 直流侧的平均电压； 如何导通？
1
为了实现逆变时的能量回馈， 只能电压Ud反向
id O
2
iVT
1
iVT
2
iVT
Id
1
t
a)
5.4.1 相控有源逆变原理及实现条件
逆变产生的条件 为了实现逆变时的能量回馈， 只能电压Ud反向 为了防止电流过大，通常要求 电动机电动势的方向也反向 |EM|略大于|Ud|
1 u10 u20 VT2 2 iVT VT1 iVT ud +
L
120o
u2 ua
60o
ub uc
id
M EM
0 t1
t
靠电动势EM维持其导通
5.4.2 三相半波整流电路的有源逆变工作状态
U d U d 0 cos
U d U d 0 cos
T a b c VT3 ud VT1 VT2
L
150
u2 ua
o
30o
d)
VT1 VT2
T
i2 u2
a ud b
VD3 VD4 VDR
T
有续流二极管的单相半波整流电路和 单相桥式半控电路，能否工作在有源 逆变状态？
VD3
负 载
u2
VT1 VT2
VD4
VD4Leabharlann id L R5.4.2 三相半波整流电路的有源逆变工作状态
三相半波整流电路： U d U d 0 cos 1）Ud为负值
2
id=iV
1
i
t
O
a)
5.4.1 相控有源逆变原理及实现条件 逆变产生的条件
晶闸管的单相 导电性，使得 电流不能反向
ud 1 0 u10 u20 VT2 2 iVT u20 VT1 iVT L
1
ud 电能
id
R + M EM Ud>EM
2
u10
u10
如何实现能量回馈？
O
t
id=iVT +iVT
第5章 AC－DC变换器
基本内容
1 2 3
概述 不控整流电路 相控整流电路 相控有源逆变电路
4
5 6
PWM整流电路 同步整流电路
5.4 相控有源逆变电路
逆变（invertion）——把直流电转变成交流电， 整流的逆过程 实例：电力机车下坡行驶，机车的位能转变 为电能，反送到交流电网中去
逆变电路——把直流电逆变成交流电的电路
5.4.1 相控有源逆变原理及实现条件 逆变产生的条件
1 0 u10 u20 VT2 2 ud iVT u20 VT1 iVT L
1
1 id R + M EM ud Ud>EM u10 0
ud 电能
2
2
u10
u10
O id=iVT +iVT
1
t
O id
id O
2
iVT
1
iVT
2
iVT
Id
iVT
Id
2
O b) 图2-45
t
a)
5.4.1 相控有源逆变原理及实现条件
VD 1 i VD1 id
VT1 VT2
逆变产生的条件
归纳逆变条件：
iVD2 u2 VD2 ud
L eL R
T
i2 u2
id
a ud b R
VD3
1）要有直流电动势，其极性与晶闸管 导通方向一致，其值应大于变流电路 直流侧的平均电压； 2）晶闸管的控制角α >π/2，Ud为负
M VT
ud
id
R
ud 电能
id
R M EM +
2 ud u10 u20
iVT
2
2
d
10
20
10
u10
d
M
O
t
d VT VT
O id
2）晶闸管的控制角 αi= > iπ +i/2，Ud为负 i
d
t Ud<EM
iVT
2
1
2
id=iVT +iVT
1
iVT O
1
iVT
2
iVT
Id
2
1
iVT
t
1
iVT
ub uc
id
M EM
0 t1
t
5.2.3 逆变失败与最小逆变角
逆变时若换相失败，使电路由逆变状态进入整流状态， 输出电压变成正值，使变流器的输出平均电压和直流电 动势变成顺向串联，外接直流电源就会通过晶闸管电路 短路，——逆变失败（逆变颠覆） 1. 逆变失败的原因 （ 1 ）触发电路不能适时、准确地给各晶闸管分配脉冲， 如脉冲丢失、脉冲延时等，致使晶闸管不能正常换相 （2）晶闸管发生故障，该断时不断，或该通时不通 （3）交流电源缺相或突然消失. （4）换相的裕量角不足，引起换相失败
5.4.1 相控有源逆变原理及实现条件
直流发电机—电动机系统电能的流转
Id Id EG G EG R EM ∑ a) 电动 M G EG R EM ∑ b) 回馈制动 M G R∑ EM c) 反接制动 M Id
两个电动势（电源）同极性相连，电流总是从电动势高的流向电 动势低的。电流大小决定于两电动势之差和回路电阻。如果回路 电阻很小，即使两电动势差不大，也可以产生足够大的电流，使 两电动势间交换功率。
LB VT 3
iVT
o
u2
ua
ub
uc
0
ωt
5.2.3 逆变失败与最小逆变角
a b c iVT
5.4 相控有源逆变电路
根据逆变输出交流电能去向的不同 , 逆变电路可 以分为： 有源逆变电路——交流侧和电网连接 无源逆变 —— 变流电路的交流侧不与电网联接， 而直接接到负载 对于可控整流电路，满足一定条件就可工作于 逆变，其电路形式未变，只是电路工作条件转 变。 既可工作在整流状态又可以工作在逆变状态的 电路，称为变流电路（Converter)
T
2
a b c
VT1 VT2 ud
L
2）需要一个反向电动势
id VT3
M EM
逆变角β ：
u2
ua
ub
uc
U d U d 0 cos
0 t1
t
5.4.2 三相半波整流电路的有源逆变工作状态
U d U d 0 cos
U d U d 0 cos
T a b c VT3 ud VT1 VT2